Hoe snel kan een bacterie groeien?

Alle levende wezens moeten zich houden aan de wetten van de natuurkunde – waaronder de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat de wanorde in het universum, of entropie, alleen maar kan groeien. Sterk geordende cellen en organismen lijken in tegenspraak met dit principe, maar in feite zijn ze conform, omdat ze warmte genereren die de totale entropie van het universum doet toenemen.
Toch blijven er vragen: Wat is de theoretische drempel voor de hoeveelheid warmte die een levende cel moet produceren om aan zijn thermodynamische beperkingen te voldoen? En hoe dicht benaderen cellen die grens?
In een recent artikel in het Journal of Chemical Physics heeft Jeremy England, natuurkundige bij het MIT, de replicatie van E. coli bacteriën wiskundig gemodelleerd en ontdekt dat het proces bijna zo efficiënt is als maar mogelijk is: E. coli produceren hoogstens ongeveer zes maal meer warmte dan zij nodig hebben om te voldoen aan de beperkingen van de tweede wet van de thermodynamica.
“Gegeven waar de bacterie van gemaakt is, en gegeven hoe snel hij groeit, wat zou dan de minimale hoeveelheid warmte zijn die hij aan zijn omgeving zou moeten afgeven? Als je dat vergelijkt met de hoeveelheid warmte die hij daadwerkelijk uitstraalt, liggen ze ruwweg op dezelfde schaal,” zegt England, een assistent-professor in de natuurkunde. “Het ligt relatief dicht bij de maximale efficiëntie.” Englands benadering van het modelleren van biologische systemen is gebaseerd op statistische mechanica, die de waarschijnlijkheid berekent van verschillende opstellingen van atomen of moleculen. Hij concentreerde zich op het biologische proces van celdeling, waarbij één cel er twee worden. Tijdens het 20 minuten durende replicatieproces verbruikt een bacterie veel voedsel, herschikt veel van zijn moleculen – waaronder DNA en eiwitten – en splitst zich dan in twee cellen.
Om de minimale hoeveelheid warmte te berekenen die een bacterie tijdens dit proces moet genereren, besloot England de thermodynamica van het omgekeerde proces te onderzoeken – dat wil zeggen, twee cellen worden één. Dit is zo onwaarschijnlijk dat het waarschijnlijk nooit zal gebeuren. De waarschijnlijkheid dat het gebeurt kan echter worden geschat door de waarschijnlijkheid van het omkeren van alle kleinere reacties die tijdens de replicatie plaatsvinden, samen te tellen.
Eén van de veel voorkomende reacties die tijdens de replicatie plaatsvinden is de vorming van nieuwe peptidebindingen, die de ruggengraat vormen van eiwitten. Het spontaan omkeren van dat soort reacties zou zo’n 600 jaar duren, aldus England. Het aantal peptidebindingen in een doorsnee bacterie is ongeveer 1,6 miljard, en het warmtevermogen dat nodig is om al die bindingen te verbreken is ongeveer 100 miljard natuurlijke eenheden. “Als natuurkundige die probeert bij te dragen aan de studie van het leven, vind ik zijn succes buitengewoon bemoedigend,” zegt Carl Franck, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Cornell University. “Met elegantie verschaft hij kwantitatief inzicht in een kernaspect van levende materie: replicatie. Hij heeft zich gericht op wat eenvoudig en interessant is aan iets zeer ingewikkelds.”
De ontdekking suggereert dat bacteriën dramatisch sneller zouden kunnen groeien dan ze nu doen en nog steeds aan de tweede wet van de thermodynamica zouden voldoen. England zegt dat het onwaarschijnlijk is dat E. coli zouden evolueren naar de meest efficiënte groeisnelheid, omdat celreplicatie slechts een van de vele taken is die ze moeten uitvoeren. Voor toepassingen in de synthetische biologie kan het echter nuttig zijn om bacteriën te maken die zich sneller kunnen delen, wat volgens dit artikel theoretisch mogelijk is.
Het artikel biedt wellicht ook enig bewijs voor de reden waarom DNA, en niet RNA, is geëvolueerd als de belangrijkste vorm van genetisch materiaal, aldus England: DNA is duurzamer en verbreekt zijn bindingen niet zo snel spontaan als RNA dat doet. Dit betekent dat RNA een voordeel ten opzichte van DNA kan hebben, omdat het sneller kan groeien en de beschikbare hulpbronnen sneller kan verbruiken. Dit ondersteunt een eerder geopperde hypothese dat RNA wellicht als eerste is geëvolueerd, voordat er leven op aarde ontstond, en dat DNA pas later opdook.
“Ik denk dat het een nuttige manier is om te proberen wat meer greep te krijgen op de verschillende soorten selectiekrachten die op nucleïnezuren kunnen hebben ingewerkt,” zegt England.
Hij gebruikt nu dezelfde theoretische benadering om te modelleren hoe zelfreplicerende cellen evolueren door nieuwe manieren uit te werken om zich aan te passen aan fluctuaties in de omgeving.